Защитные и коммутационные разрядники
Содержание
1. Назначение разрядников
. Устройство и принцип действия
. Основные физические закономерности
.1 Вольт-амперная характеристика
разрядников
.2 Статистическое запаздывание
возникновения разряда
Заключение
Список литературы
1. Назначение разрядников
Газонаполненные разрядники - это приборы с двумя
или тремя электродами, предназначенные для защиты электронной аппаратуры от
случайных перенапряжений или для формирования мощных электрических импульсов в
микро- и наносекундном диапазонах. Основная особенность вольт-амперной
характеристики двухэлектродного защитного разрядника - наличие порогового
напряжения, ниже которого разрядник выступает как изолятор, а выше - как
низкоомный проводник.
Коммутационные разрядники до перехода в
проводящее состояние эквивалентны разомкнутому ключу. В режим низкоомного
проводника они переходят при увеличении напряжения выше порогового значения или
при поступлении импульса напряжения на управляющий электрод (в управляемых
разрядниках). Из проводящего состояния в непроводящее защитные и коммутационные
разрядники возвращаются только после снижения напряжения между основными
электродами до определенного значения.
В проводящем состоянии из-за малого собственного
сопротивления разрядники не определяют величину тока. Обычно она ограничена
активным (или индуктивным) сопротивлением элементов цепи. Характерные параметры
разрядников: пороговое напряжение - от 70 В до 300 кВ, допустимый ток - до 150
кА. Для некоторых типов разрядников (защита цепей, находящихся под сравнительно
высоким рабочим напряжением) в качестве параметров указывается напряжение, при
котором разрядник возвращается в непроводящее состояние. Характерные значения
напряжения - от 50 В до 8 кВ. Важными параметрами коммутирующих разрядников
являются максимально допустимая частота следования импульсов (10 - 100 Гц) и
срок службы, который характеризуют гарантированным числом коммутаций (106 -
107) или зарядом, коммутируемым за весь период работы (103 - 104 Кл -
«суммарный заряд»).
. Устройство и принцип действия
Конструкция типичного разрядника представляет
собой два плоских дисковых электрода, разделенных диэлектрической вакуумной
оболочкой из керамики (рис. 1). Приборы обычно наполняются инертными газами и
их смесями до давления от 102 до 106 Па. Характерные значения параметров
газоразрядного промежутка: расстояние - до 1 см, площадь - порядка 1 см
Минимальные габариты 8,2´6 мм (диаметр и высота
разрядников «кнопочной» конструкции), максимальные - 120´220
мм. В проводящее состояние разрядники переходят в результате возникновения
газового разряда. В зависимости от назначения прибора разряд может быть тлеющим
(на миллиамперный диапазон токов), дуговым (амперы и килоамперы) или искровым
(килоамперы).
Рис. 1. Защитный металлокерамический
разрядник «кнопочной» конструкции
Основные физические процессы в
тлеющем разряде: развитие электронных лавин, выход электронов из катода под
действием ионов и фотонов, перераспределение потенциала в промежутке за счет
ионного пространственного заряда, приводящее к формированию узкой прикатодной
области с большой напряженностью поля. Характерные величины напряжения горения
разряда - сотни вольт.
В дуговом разряде определяющую роль
играет термоэмиссия электронов с поверхности катода, разогретого ионной
бомбардировкой. Дуговому разряду в сравнении с тлеющим присущи более низкие
значения напряжения горения - десятки вольт. Для разрядников характерна
«неустановившаяся форма дугового разряда», при которой до высокой температуры быстро
разогревается не весь катод, а лишь его микроучасток, в пределах которого
возможны плавление и испарение вещества.
Разряд в таких условиях может
развиваться в расширяющемся облаке пара материала катода. Для обеспечения
необходимой долговечности разрядников в таких случаях особое внимание уделяется
выбору катодного материала. Основные требования к нему - низкая работа выхода
электронов и сравнительно малая теплота испарения. Одним из распространенных
материалов является алюмосиликат цезия, заполняющий поры прессованной губки из
никелевого порошка. В сильноточных (до 150 кА) коммутационных разрядниках катод
выполняется в виде медной пленки, нанесенной на подслой молибдена.
Искровой разряд развивается при
очень высокой интенсивности размножения электронов в лавине, с существенной
генерацией фотонов, способных ионизировать молекулы газа. Разряд формируется в
виде «стримеров», визуально наблюдаемых как искры. Развитию стримеров физически
соответствует быстрое перемещение фронта ионизированного газа, обусловленное
тем, что после ухода на анод части электронов лавины положительный
пространственный заряд «втягивает» в основной разрядный канал «дочерние»
электронные лавины, зарождающиеся перед фронтом в результате фотоионизации
газовых молекул.
3. Основные физические закономерности
.1 Вольт-амперная характеристика разрядников
Одним из основных параметров характеристики
(рис. 2) является напряжение возникновения разряда, или напряжение пробоя.
Условия в разряднике обычно соответствуют правой ветви кривой Пашена, так что
пробивное напряжение увеличивается с ростом произведения давления газа на
межэлектродное расстояние. На вольт-амперной характеристике пробивному
напряжению соответствует начальный горизонтальный участок в области малых
токов.
Рис. Вольт-амперные характеристики
разрядника при двух значениях давления газа: 1 - при высоком; 2 - при низком
Существенное значение для
разрядников имеет область характеристики, соответствующая переходу аномального
тлеющего разряда в дуговой. Характеристика в этой области имеет максимум,
координаты которого зависят от давления газа. При уменьшении давления
максимальная точка смещается влево и вверх. Поэтому становится возможным
случай, когда напряжение в максимуме превышает напряжения пробоя (кривая 2 на
рис. 2). Разрядник с такой вольт-амперной характеристикой, очевидно, может
работать только при сравнительно малых токах (десятки миллиампер),
соответствующих тлеющему разряду.
Более характерный диапазон значений
рабочего тока - амперы и килоамперы, что соответствует дуговому или искровому
разрядам. Для такого диапазона давление газа в разрядниках должно выбираться
сравнительно большим, чтобы напряжение в максимуме было меньше напряжения
пробоя. При разработке разрядников давление и род газа, межэлектродное
расстояние, площадь электродов, материал катода обычно подбирают
экспериментально с учетом заданных величин пробивного напряжения, максимального
тока и габаритов прибора. Катоды изготавливают из многокомпонентных материалов
(например, из алюмосиликата цезия) с малой работой выхода, что обеспечивает
высокую долговечность разрядников.
.2 Статистическое запаздывание
возникновения разряда
При подаче на разрядник напряжения,
превышающего пробивное, ток возникает с некоторой нерегулярной задержкой по
времени, которую называет статистическим запаздыванием зажигания разряда.
Запаздывание обусловлено вероятностным характером выхода из катода электронов,
инициирующих развитие лавин. Качество разрядника тем выше, чем меньше
запаздывание. Экспериментально запаздывание наблюдается по осциллограммам
напряжения на разряднике при подключении его к генератору периодических
импульсов через ограничительный резистор (рис. 3).
В начале эпюры напряжение равно
амплитуде импульса. Это свидетельствует об отсутствии тока через разрядник,
несмотря на то, что амплитуда превышает пробивное напряжение. Через некоторое
время напряжение снижается до сравнительно малой (десятки вольт) величины за
счет роста тока и увеличения падения напряжения на резисторе. Задержка
появления тока изменяется от импульса к импульсу по вероятностному закону, в
результате чего участок снижения напряжения заметно «размыт» и нестабилен
(временная развертка осциллографа запускается передним фронтом импульса
генератора). Диапазон характерных значений задержек определяет вероятностный
(случайный) разброс статистического запаздывания зажигания разряда.
газонаполненный
разрядник вольт ток
Рис. 3. Осциллограммы напряжения на
разряднике при малом (1) и большом (2) значениях среднего времени
статистического запаздывания зажигания разряда. Длительность периодических
импульсов межэлектродного напряжения- 100 мкс
Среднее значение времени
запаздывания в основном определяется интенсивностью внешнего ионизатора, под
действием которого зарождаются электронные лавины. Внешним ионизатором обычно
являются естественные (фоновые) или искусственные источники ультрафиолетового,
рентгеновского или радиоактивного излучений. Обусловленный внешним ионизатором
начальный ток электронов в естественных условиях весьма мал (например, 10-15
А), так что электроны появляются в газоразрядном промежутке через относительно
большие (единицы миллисекунд) интервалы времени и разряд «запаздывает» на такое
время, несмотря на достаточно высокое напряжение между электродами.
При увеличении интенсивности
ионизатора интервалы времени между появлениями электронов уменьшаются, и соответственно
снижается время запаздывания. Это позволяет повысить скорость срабатывания
разрядника путем введения в его объем радиоактивных препаратов (изотопы никеля
или криптона), являющихся источниками сравнительно слабого 
-излучения
(высокоэнергетичные электроны). При наличии изотопов время запаздывания обратно
пропорционально активности препаратов, характерные значения которой лежат в
диапазоне 10 - 500 мкКюри (4×105
- 2×107
расп./с).
Эффективным способом уменьшения
статистического запаздывания зажигания разряда является нанесение на внутреннюю
поверхность керамической вакуумной оболочки так называемых «зажигательных
полосок» из графита (ширина около 1 мм). Полоски направлены вдоль разрядного
промежутка и контактируют с одним из электродов разрядника. В узком зазоре
между полоской и противоположным электродом при пороговом напряжении
обеспечивается повышенная напряженность электрического поля, достаточная для
возникновения поверхностных микроразрядов, что эквивалентно увеличению
интенсивности внешнего ионизатора и снижает время запаздывания. Выполняя
функции подготовки основного разряда, ионизационные процессы в зазоре не вносят
существенный вклад в ток разрядника, так как сопротивление тонкой графитовой
полоски сравнительно велико.
При возникновении разряда
проявляется вероятностный характер как зарождения первичных электронов, так и
процессов развития лавин и эмиссии вторичных электронов из катода под действием
ионов или фотонов. Вероятность развития разряда зависит от коэффициента
ионизационного нарастания 
,
показывающего, во сколько раз число вторичных электронов больше числа
первичных. Величина коэффициента определяется соотношением:
, ( 1)
где 
- коэффициент вторичной эмиссии, d -
межэлектродное расстояние, 
- коэффициент ионизации газа
электронами (число ионизаций на единице пути), увеличивающийся с ростом
напряжения 
в
соответствии с формулой
, (
2)
Вероятность возникновения разряда 
связана с
коэффициентом ионизационного нарастания следующим приближённым соотношением:
. (
3)
Среднее время статистического
запаздывания разряда 
определяется
формулой
, (
4)
где 
- активность источника радиации
(мкКюри), а - коэффициент, зависящий от рода газа (например, для аргона а = 1,5∙104
мкс∙мкКюри).
Из соотношений ( 2) - ( 4)следует,
что при = 1
(условие возникновения разряда без учета вероятностного характера ионизации и
вторичной эмиссии электронов) время запаздывания бесконечно большое, поскольку
вероятность = 0. Разряд
возникает лишь при > 1, что
достигается повышением напряжения между электродами.
Коэффициент ионизационного
нарастания очень резко
увеличивается с ростом напряжения [соотношения ( 2) и ( 3)], и время
запаздывания разряда уменьшается (рис. 4), приближаясь к установившемуся
значению, которое соответствует вероятности развития разряда , близкой к
единице. Это достигается при сравнительно небольшом (порядка 20 %) превышении
напряжения над величиной, определяемой условием зажигания самостоятельного
разряда ( = 1).
Рис. 4. Зависимости времени
статистического запаздывания разряда от напряжения при высокой (1) и низкой (2)
активности радиоактивного препарата. Uв -
напряжение возникновения разряда
Вероятность появления определенного
времени статистического запаздывания разряда 
(в бесконечно малом интервале 
) при
известном среднем значении времени характеризуется функцией
распределения разрядов по времени запаздывания (рис. 5), которая представляет
собой зависимость отношения / (плотность вероятности) от времени
запаздывания.
Рис. 5 Функции распределения
разрядов по статистическому запаздыванию при низкой (1) и высокой (2)
активности радиоактивного препарата. Z - плотность
вероятности разрядов с запаздыванием t s
Функция распределения определяется
соотношением:
. ( 5)
Из соотношения ( 5) следует, что при
= 0
плотность вероятности равна (1/), а среднее значение соответствует
точке на кривой распределения, в которой плотность уменьшилась в e раз (e = 2,718) от
начальной величины (1/).
Интегрирование функции дает вероятность возникновения разряда с временем запаздывания
в конечном интервале (например, больше или меньше заданной величины 
).
Статистическое запаздывание разряда
приводит к тому, что в случае быстрого увеличения напряжения (1 - 10 кВ/мкс)
разрядник срабатывает при более высоком напряжении, чем при медленном
нарастании напряжения. Поэтому в паспортных данных приборов приводят два
значения порогового напряжения: статическое пробивное напряжение 
(при
медленном подъеме напряжения) и динамическое пробивное напряжение 
(при
быстром подъеме с определенной скоростью). Параметры и связаны
соотношением
, (
6)
где 
- скорость роста напряжения.
Динамическое пробивное напряжение обычно превышает статическое в несколько раз.
Соотношения ( 1) - ( 6) и
представленные графики используются при проектировании разрядников для
определения давления и рода газа, межэлектродного расстояния, материала катода
и активности радиоактивного препарата, обеспечивающих требуемые значения
статического и динамического напряжений срабатывания, а также среднего времени
статистического запаздывания разряда.
Заключение
По принципу действия разрядники делятся на 2
основных класса:
неуправляемые - разрядники самостоятельного
разряда;
управляемые - разрядники, имеющие один или
несколько специальных электродов, предназначенных для управления моментом
зажигания.
Защитные и коммутационные газонаполненные
разрядники представляют собой металлокерамические приборы искрового и дугового
разряда.
Применение специальных катодных материалов
обеспечивает коммутацию импульсных токов до 200 кА с напряжением поддержания
разряда в десятки вольт.
Разрядники применяются для защиты аппаратурыи
линий связи от перенапряжений и для коммутации различных цепей в электро- и
радиоаппаратуре.
В зависимости от назначения разрядники делятся
на несколько групп: защитные, коммутационные, антенные переключатели и др. От
назначения зависят и требования, которые предъявляются к отдельным параметрам
этих приборов.
Список литературы
1.
Теоретические основы электротехники. / Г.И.Атабеков, С.Д.Купалян, А.В.Тимофеев,
С.С.Хухриков.-М.: Энергия, 1979. 424 с.
.
М.Р.Шебес. Теория линейных электрических цепей в упражнениях и задачах. М.:
Высшая школа, 1990. 528 с.
. Первачев
С.В. Радиоавтоматика: Учебник для вузов. - М.: Радио и связь, 1982.
. Радиоавтоматика:
Учебное пособие/ Под ред. В.А.Бесекерского. - М.: Высшая школа, 1985
. Гришаев
Ю.Н. Синтез частотных характеристик линейных систем автоматического
регулирования: Метод. указания / РГРТА, 2000
. Гришаев
Ю.Н. Системы радиоавтоматики и их модели: учебное пособие.: Рязань,1977.
. Гришаев
Ю.Н. Радиоавтоматика. компьютерный лабораторный практикум/ РГРТА.: Рязань, 2004